1、引言
目前，全世界正在为能源紧缺而困扰，我国的能源形势尤其严峻。面对这样的现实，国家有一系列的对策，因此颁布了《节能法》，并号召全社会为建设资源节约型社会而努力。节能改造就是其中有效途径之一，节能改造有许多方面，其中通过对拖动风机、水泵的高电压大功率电动机变频调速来实现节能，无疑是潜力最大的节能方式。随着高压大功率变频调速技术的日益成熟，使得该项技术在水厂大功率水泵上应用成为可能。中国石化齐鲁股份有限公司供排水厂正是在这种形势下，对水泵设备进行高压变频技术研究改造的。
2、设备概况及改造方案
中国石化齐鲁股份有限公司被喻为中国石化的明珠，在山东可谓家喻户晓。齐鲁石化供排水厂担负着全公司的供水任务，西夏配水站是供排水厂的下属单位之一，日设计供水能力20万吨，清水泵房配备了五台水泵机组，机组功率均为550KW/6KV，改造前全部定速运行，水量大小通过改变阀门开度大小的方式进行调节。采用变频器对水泵进行控制的目的：通过变频器实现水压闭环控制，保持管网压力的恒定；在水泵出口阀门开度最大的情况下，通过变频器改变输出频率，进而改变水泵的转速调节供水量，以节约原来通过改变阀门开度调节供水量时浪费在阀门上的能源；减轻水泵启停对管网的冲击。
经多方调研考察，比较性价比，最终齐鲁石化供排水厂决定选用我山东新风光电子科技发展有限公司生产的风光牌JD-BP37型高压变频器对西夏配水站2#、4#水泵机组进行调速改造，经过双方技术人员的合作，共同制定了水泵机组的变频改造方案。现场设备图如下图1示。改造方案采用一带二的形式，即高压变频器拖动配水站2#、4#机组任一台，当其中一台机组出现故障或检修时，变频器拖动另一台机组变频运行。配水站2#、4#机组为同型号机组，其中2#机组电机和水泵的主要参数如下：
1）水泵
型号 20SHO
额定流量 2016m3/h
额定扬程 59m
额定轴功率 390KW
额定效率 83%
额定转速 970rpm
2）电机
型号 JQS158-6
额定功率 550KW
额定电压 6KV
额定电流 64A
额定功率因数 0.89
额定转速 987rpm
图1现场设备图
3、风光牌JD-BP37-630F高压变频器
齐鲁石化供排水厂决定选用我公司生产的风光牌JD-BP37-630F高压变频器一拖二控制系统对2#、4#水泵机组作调速改造。以下是对风光牌JD-BP37-630F高压变频器的一些介绍。
3.1 JD-BP37-630F高压变频器的主要性能指标:
变频器额定功率 630KW
额定输出电流 80A
输入频率 45Hz到55Hz
额定输入电压 6KV
允许电压波动 ±20%
输入功率因数 ≥0.96（额定负载时）
输出电压范围 0～6KV
变频器效率 ≥96%（额定负载时）
输出频率范围 0～50Hz
整流方式 36脉冲二极管全波整流
输出方式 每相6单元正弦波脉宽调制输出，直接输出6KV
频率分辨率 0.01Hz
过载能力 ＜120%长期运行 150%连续1min ＞150%立即保护
操作键盘 中文彩色液晶触摸屏
界面语言 简体中文
控制电源 220VAC 10KVA
冷却方式 强制风冷
防护等级 IP20
模拟量输入 四路，0～10v/4～20mA,任意设定
模拟量输出 两路，0～10V/4～20mA可选
开关量输入输出 4入/16出（可按用户要求扩展）
通讯接口 RS232、RS485接口。
运行参数自动记录和输出、自动故障记录、限流功能、输出电压自动调整功能、单元旁路功能等。
可根据用户要求作特殊设计。
3.2 变频器设计要求
风光牌JD-BP37-630F为我公司生产的全数字交流高压变频器控制装置，采用先进的功率单元串联载波移相技术、正弦波PWM调制方法，全中文操作界面，具有可靠性高，性能优越，操作简便等特点，具体设计要求如下所述：
（1）系统效率高，额定工况下，总效率在96%以上，其中变频器部分效率大于98%。
（2）输入侧为36脉冲整流，变频器引起的电网谐波电压和谐波电流含量满足IEEStd519-1992和GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》技术要求。
（3）变频器额定输入功率因数大于0.96，无须功率因数补偿装置。
（4）变频器输出谐波含量低，可以驱动普通高压电动机，而不会增加电机温升，降低电机容量，电机电缆无任何长度限制；保护电机绝缘不受dv/dt应力的损害；不会因为谐波力矩而降低设备使用寿命。
（5）具有单元旁路功能，当某个单元出现故障，系统可以自动将其旁路，并降额继续运行，保证系统的可靠性。
（6）采用全中文操作平台，10.4英寸真彩LCD显示，触摸屏直接操作，更适合国人使用习惯。
（7）功率单元模块化结构，可以互换，维护简单。
（8）输入电压范围宽，在6KV（±20%）内可连续运行。
（9）功率单元采用光纤通讯控制，完全电气隔离，抗干扰性强。
（10）内置PID调节器，可实现闭环运行。
（11）内置PLC，实现不同应用现场的灵活控制。
3.3 系统的构成
（1）高压变频器系统结构图
图2 高压变频器系统结构图
2）功率单元结构图
图3 单元电路结构图
3）一次回路及保护
图4一次回路示意图
DL、DL1、DL2 用户原有高压开关柜
BPQ JD-BP37-630F高压变频器
K1、K2 高压隔离开关
M1、M2 2#、4#水泵电机
变频器供电电源及其保护由DL提供，速断保护整定值按630KW重新整定。同时增加一面旁路柜，旁路柜有2个高压隔离开关，通过开关组合，两台电机均可变频运行。
2个隔离开关之间及其断路器之间用电磁锁联锁，K1、K2只允许一个合闸；DL1合闸状态，K1不允许操作；DL2合闸状态，K2不允许操作。
当K1、K2及DL供电电源断开时，变频器处于安全状态，便于检修，维护和调试。变频器与DL供电电源高压断路器联锁。
合闸闭锁：将变频器“合闸允许”信号串联于高压开关合闸回路。在变频投入状态下，变频器故障或不就绪时，变频器高压开关合闸不允许。
故障分闸：将变频器“高压分断”信号串联于高压开关分闸回路。当变频器出现故障时，分断变频器高压输入。
工频合闸：变频器运行过程中出现故障时，可以给出工频合闸信号，启动备用机组工频运行。
（4）二次回路及控制
控制系统由光纤板、信号板、主控板、PLC和人机界面组成。用户提供控制回路220VAC电源。控制系统与功率单元之间采用光纤通讯，实现了强弱电之间的光电隔离。PLC用于变频器内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理。PLC还有处理4路模拟量输入和2路模拟量输出的能力，模拟量输入用与处理来自现场的流量、压力等模拟信号或模拟设置时的设置信号；模拟输出量可以是运行频率、电流等。人机界面采用中文操作系统，彩色液晶触摸屏，免费提供软件升级。人机界面图如下示：
图5人机界面图
3.4 控制方式
变频器具有以下三种控制方式：
本地控制：从变频器操作界面控制电机的启动和停止，并能完成变频器的所有控制。
远程控制：通过内置PLC接受来自现场或控制室的开关量或模拟量控制。
上位控制：通过RS485接口，接受上位机的控制，实现通信功能，并有变频器运行/停止/故障信号显示及转速显示等。
（1）速度设定方式
变频器具有多种速度设置方式，在闭环运行时，速度设置方式即为被控量的给定方式。
本地设置：通过操作触摸屏设置运行频率。
模拟设置：接收DCS系统0～10V或4～20mA模拟信号设置运行频率或被控量给定值。
通信设置：通过通信方式接收来自上位机的运行频率或被控量的给定值。
（2）运行方式
变频器具有开环和闭环两种运行方式。
开环运行：变频器以设置频率输出。频率的设置方式有本地设置、模拟设置、通信设置。
闭环运行：对一个运行参数（如流量、压力、温度等,此处以压力为例）实现跟踪控制。闭环运行时,实际压力信号来自安装于供水管道上的压力变送器,而压力期望值有4种设置方式,分别为本地设置、模拟设置、通信设置。变频器通过调节水泵转速,使实际压力逼近压力设置值,以保证供水管道的压力恒定。
3.5 对外接口
模拟量输入：4路,4～20mA或0～10VDC。4～20mA时输入阻抗250Ω,0～10VDC电压输入时输入阻抗≥10MΩ。用于接收速度设置或被控量设置的模拟信号，例如现场的流量、压力、烟气浓度等信号。
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